SPECTROSCOPIE
Spectroscopie atomique
Les spectres des atomes ont pu être compris dans le cadre de la physique atomique qui, se fondant sur la mécanique quantique, décrit les niveaux d'énergie occupés par les électrons du cortège électronique. Une raie d'émission correspond à la transition d'un électron d'un niveau vers un autre niveau de moindre énergie, l'énergie excédentaire étant évacuée par le photon émis sous forme d'énergie électromagnétique. Ces transitions ayant des énergies bien définies, la radiation émise a aussi une fréquence (ν) et une longueur d'onde (λ) bien définies : E = hν = hc/λ.
Le spectre d'émission de l'atome d'hydrogène, qui ne comprend qu'un seul électron, a été compris en premier. Ses raies obéissent à la relation de Balmer : 1/λ = R(1/n 2 — 1/m 2) où R est une constante et où n et m sont des nombres entiers, m prenant des valeurs plus grandes que n. À chaque valeur de n correspond une série de raies au sein de laquelle chacune correspond à une valeur de m.
Les atomes des éléments alcalins (sodium, potassium...) comprennent des couches électroniques complètes plus un électron indépendant, dit électron optique, rappelant ainsi la structure de l'atome d'hydrogène. Les spectres de ces éléments, appelés hydrogénoïdes, possèdent une structure similaire. L'électron périphérique peut occuper différents niveaux d'énergie, définis par l'intermédiaire du nombre quantique orbital l associé au moment cinétique (l est aussi appelé moment angulaire orbital). Celui-ci est un nombre entier qui prend les valeurs 0, 1, 2, 3, 4..., et les états correspondants sont désignés par une lettre : S, P, D, F, G... (dont l'origine se situe dans les caractéristiques des séries observées : étroite [sharp : S], principale, diffuse, fondamentale...). Les transitions entre ces niveaux obéissent à des règles de sélection qui interdisent certaines d'entre elles. Les transitions ne sont permises que si la variation du nombre l vaut ± 1. À chaque niveau, un nombre quantique principal est attribué (n = 1, 2, 3, 4... pour les couches K, L, M, N...), le nombre quantique orbital l pouvant prendre les valeurs entières allant de 0 à n—1. Ainsi, un niveau est représenté par deux nombres, par exemple : 1S (n = 1, l = 0), 2S (n = 2, l = 0), 2P (n = 2, l = 1)... La série de Balmer correspond à des transitions où le nombre quantique principal varie : de nP à 1S (n ≥ 2), de nS à 2P (n ≥ 2), de nD à 2P (n ≥ 3), de nF à 3D (n ≥ 4)... La combinaison du moment angulaire orbital l avec le spin s de l'électron optique subdivise ces niveaux en sous-niveaux d'énergies très voisines, responsables de la structure fine de l'atome. Le moment angulaire résultant conduit à un terme dit de spin-orbite et à l'apparition d'un nouveau nombre quantique : le moment angulaire total j = l + s.
Lorsque l'atome qui rayonne est placé dans un champ magnétique, une brisure de symétrie apparaît, les raies se séparent en plusieurs composantes (cf. effet zeeman). En présence d'un champ électrique, il se produit un effet comparable (cf. effet stark). Lorsque les atomes ont un cortège électronique plus complexe, avec plusieurs électrons optiques, il faut combiner entre elles les différentes valeurs de j qui leur correspondent, et les spectres deviennent plus complexes. Si la transition correspond à deux orientations différentes du spin d'un électron optique, il y a résonance de spin électronique : c'est la résonance paramagnétique électronique (R.P.E.) ; si la transition a lieu entre deux états d'orientation du spin du noyau par rapport au champ magnétique, il s'agit de la résonance magnétique nucléaire (R.M.N.). Les transitions de ce type se produisent[...]
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Écrit par
- Michel de SAINT SIMON : directeur de recherche au C.N.R.S., centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse (Institut national de physique nucléaire et de physique des particules)
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Pour citer cet article
Michel de SAINT SIMON, « SPECTROSCOPIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :
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La contribution d'Isaac Newton (1643-1727) à l'exploration du système solaire ne se limite pas à ses…
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L'astronome et physicien allemand Joseph von Fraunhofer, précurseur de la spectroscopie (ici au…
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Le chimiste et physicien allemand Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899).
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Autres références
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ALDÉHYDES ET CÉTONES
- Écrit par Jacques METZGER
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Legroupe carbonyle est caractérisé par une bande d'absorption ultraviolette de faible intensité dans la région 270-285 nm pour les cétones et 280-300 nm pour les aldéhydes ; cette bande correspond à une transition n → π*, c'est-à-dire à l'excitation de l'un des électrons des deux doublets[...] -
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Ces deux notions, en principe complémentaires et réciproques, ne le sont pas en fait. Certes, les deux tendances à l'analyse et à la synthèse s'opposent, la première visant à couper les entités chimiques en petits morceaux et la seconde se donnant pour objectif la reconstruction des ensembles mis à[...]
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- Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
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[...]de base de la physique actuelle. Si l'on parvient à stocker dans des pièges électromagnétiques un nombre suffisant d'antiatomes, on pourra étudier leur spectroscopie et ainsi tester la symétrie entre matière et antimatière. Comme l'atome d'hydrogène, l'antiatome peut être excité de son état fondamental[...] -
ASTRONOMIE
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[...]Bunsen (1811-1899) reconnaissent dans la lumière du Soleil les traits caractéristiques de plusieurs éléments chimiques. Grâce aux progrès de la spectroscopie, Henry Rowland (1848-1901) dénombrera trente-six de ces éléments en 1896. Joseph Norman Lockyer (1836-1920) découvre dans la lumière du[...] - Afficher les 68 références
Voir aussi
- FRÉQUENCE, physique
- ONDE ou RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- ABSORPTION, physique
- ISOTOPES
- POUVOIR DE RÉSOLUTION
- PHOTOMULTIPLICATEURS
- INDICE DE RÉFRACTION
- NOYAU ATOMIQUE
- MESURE INSTRUMENTS DE
- INTERFÉROMÉTRIE
- DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE
- ÉMISSION, physique
- DOPPLER-FIZEAU EFFET
- RÉFLEXION & RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE
- PRISMES, optique
- RÉSEAU, optique
- DISPERSION DE LA LUMIÈRE
- MICHELSON INTERFÉROMÈTRE DE
- FABRY-PÉROT INTERFÉROMÈTRE DE
- MONOCHROMATEUR
- R.M.N. (résonance magnétique nucléaire), physico-chimie
- SCIENCES HISTOIRE DES, XVIIe et XVIIIe s.
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- QUANTIQUES NOMBRES
- TRANSITION, physique
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- SPECTROMÈTRE
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